(57)【要約】【課題】  小型負荷に太陽電池と蓄電池を組合せた装置において、その組合せ容量が適正でないため、余分の費用・場所などを要したり、電力供給の不足による不都合があった。【解決手段】  負荷を賄うのに必要な太陽光発電量を月ごとに算出し、一方適用する太陽電池の発電量を月ごとに算出し、すべての月について、必要な負荷電力量を太陽電池の発電量で賄えるように太陽電池容量および蓄電池容量を決める方法（タイプＩ）。また、他電源による定期的な補充電が可能な装置において、蓄電池容量の削減・補充電インタ−バルの延長などのため太陽電池を設け、太陽電池の発電量で賄える負荷電力量を月ごとに算出し、残りの負荷電力量を他電源による蓄電池への補充電により賄うように、太陽電池容量と蓄電池容量を最適に決定する方法（タイプII）。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と蓄電池に小型負荷を組合せ、他電源から独立した装置において、
各月ごとに、時刻別の負荷電力を夜間負荷電力（日没〜日出）と昼間負荷電力（日出〜日没）に分離し、
「必要太陽光発電量（Wｈ/日）」＝Σ（夜間負荷電力＊時間÷充放電効率（通常0.85））＋Σ（昼間負荷電力＊時間÷（（充放電効率（通常0.85）＋1）÷2））
により算出した量を、
負荷に必要な月ごとの１日当り太陽光発電量とすることを特徴とする「必要太陽光発電量」の算出方法。
【請求項２】
前記装置において、
太陽電池モジュール特性値・気象条件・太陽電池モジュールの設置条件などから、月ごとの１日当り太陽電池モジュールの発電量を詳細・正確にシミュレーション計算できるプログラム（「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」など）により計算し、諸損失（5〜10％）を考慮した後の月ごとの太陽電池モジュールの１日当り発電量を、
算出することを特徴とする太陽光発電量算出方法。
【請求項３】
前記装置において、
請求項１で算出した「必要太陽光発電量」と、種々の太陽電池モジュールについて請求項２で算出した発電量を使い、月ごとに、
「必要太陽光発電量」＜＝太陽電池モジュール１枚あたりの発電量＊枚数
が成り立つような太陽電池モジュールの枚数を求め、最も枚数の大きい月の枚数をその太陽電池モジュールの枚数と決め、最も適合した太陽電池モジュールとその枚数を選択することを特徴とする太陽電池容量決定方法
【請求項４】
前記装置において、
月ごとの１日合計負荷電力量を使い、月ごとに、
「蓄電池容量（Ｗｈ）」＞＝（１日合計負荷電力量＊連続無日照保証日数（通常５日）÷放電深度（通常0.7））
により装置の蓄電池容量を求め、その最も大きい月の蓄電池用量を蓄電池要量と決めることを特徴とする蓄電池容量決定方法
【請求項５】
前記装置において、
適用する太陽電池モジュールとその枚数を定め、請求項２の方法で月ごとに１日当りの太陽光発電量を計算し、
請求項１の「必要太陽光発電量」と前記１日合計負荷電力量から月ごとに、
「太陽光発電量係数」＝「必要太陽光発電量」÷１日合計負荷電力量、
により算出した「太陽光発電量係数」と「補充電インターバル（他電源により蓄電池を何日ごとに補充電するかの日数）」を使い、
蓄電池容量＞＝（１日合計負荷電力量−太陽光発電量÷「太陽光発電量係数」）＊「補充電インターバル」÷放電深度（通常0.7）
が成り立つように蓄電池容量を月ごとに求め、最も大きい月の蓄電池容量をその装置の蓄電池容量と決めることを特徴とする蓄電池容量決定方法。
【請求項６】
種々の太陽電池モジュールと枚数の場合について、
請求項５を適用して蓄電池容量を算出することを繰り返し実施し、最も適合した太陽電池モジュール・枚数・蓄電池容量を選択・決定することを特徴とする方法。
【請求項７】
前記装置において、種々の太陽電池について、該蓄電池の定格電圧付近より大きい各種電圧および最適電圧(Ｐmaxの電圧)における太陽電池の年間発電量を、前記「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」などにより計算し、
各種電圧と最適電圧における年間発電量の比率を求め、直流電圧と該比率のグラフを作成し、
運転電圧（＝蓄電池電圧＝太陽電池電圧）と該比率から損失の少ない太陽電池を選択することを特徴とする太陽電池モジュールの選定・決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型負荷に太陽電池と蓄電池を組合せた装置において、太陽電池・蓄電池の最適な組合せ容量の決定方法および最適な電圧の太陽電池モジュールの選択方法に関する。ここで小型負荷とは街路灯、庭園灯、振り子式揺動機構など、太陽電池を電源として利用した小型容量の組合せ装置の負荷である。本発明では負荷として振り子機構を使って具体的な説明をする。すなわち、振り子式揺動機構（斜め振り子機構など）に太陽電池と蓄電池を組合せた装置について説明する。ここで、振り子式揺動機構とは、道路・河川・建設現場などの工事にともない、交通整理・誘導のための腕振り・旗振りロボットなどで、駐車場・催物会場・店内などへの誘導の腕振り・旗振りロボット、農業用案山子、鳥獣追出用ロボット、広告宣伝用ロボット（ムービングディスプレイ）、乳幼児用ゆりかご、などに適用可能な振り子式揺動機構である。
【背景技術】
【０００２】
小型負荷に太陽電池と蓄電池を組合せた装置（例えば太陽電池を使った街路灯・庭園灯など）が最近増えている。
【０００３】
しかるに、組合せる太陽電池・蓄電池の容量に関しては次の課題があった。負荷の大きさ・用途に比べ過大な容量の太陽電池・蓄電池のため余分の費用や、設置場所を要している場合があった。また逆に小さすぎるため電力が不足し、負荷を十分賄えず、例えば街路灯が未点灯になったりすることがあった。一方、定期的に他電源で蓄電池を補充電する装置においては蓄電池が大きく、また他電源による補充電のインターバルが短いという課題もあったが、どの程度の太陽電池を組込めばその効果があるのかも不明であった。さらに、太陽電池電圧と蓄電池電圧や負荷の電圧と適合しないため、大きい損失が発生することがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑み、負荷の大きさと内容に最も適した太陽電池容量と蓄電池容量の決定方法を提供する。また、装置にどれほどの容量の太陽電池を組込めばどの程度の蓄電池容量減少・充電インターバル延長などの効果があるのかを明らかにし、最適な組合せ容量の決定方法を提供する。さらに、装置の運転電圧において、損失の少ない太陽電池モジュールの選択方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１発明の算出方法は、太陽電池と蓄電池に小型負荷を組合せ、他電源から独立した装置において、
各月ごとに、時刻別の負荷電力を夜間負荷電力（日没〜日出）と昼間負荷電力（日出〜日没）に分離し、
「必要太陽光発電量（Wｈ/日）」＝Σ（夜間負荷電力＊時間÷充放電効率（通常0.85））＋Σ（昼間負荷電力＊時間÷（（充放電効率（通常0.85）＋1）÷2））
により算出した量を、
負荷に必要な月ごとの１日当り太陽光発電量とすることを特徴とする。
【０００６】
第２発明の太陽光発電量算出方法は、前記装置において、
太陽電池モジュール特性値・気象条件・太陽電池モジュールの設置条件などから月ごとの１日当り太陽電池モジュールの発電量を詳細・正確にシミュレーション計算できるプログラム（「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」など）により計算し、諸損失（5〜10％）を考慮した後の月ごとの太陽電池モジュールの１日当り発電量を算出することを特徴とする。
【０００７】
第３発明の太陽電池容量の決定方法は、前記装置において、
請求項１で算出した「必要太陽光発電量」と、種々の太陽電池モジュールについて第２の発明で算出した発電量を使い、月ごとに、
「必要太陽光発電量」＜＝太陽電池モジュール１枚あたりの発電量＊枚数
が成り立つように太陽電池モジュールの枚数を求め、最も枚数の大きい月の枚数をその太陽電池モジュールの枚数と決め、最も適合した太陽電池モジュールとその枚数を選択することを特徴とする。
【０００８】
第４発明の蓄電池容量決定方法は、前記装置において、
月ごとの１日合計負荷電力量を使い、月ごとに、
「蓄電池容量（Ｗｈ）」＞＝（１日合計負荷電力量＊連続無日照保証日数（通常５日）÷放電深度（通常0.7））
により装置の蓄電池容量を月ごとに求め、最大月の蓄電池容量を蓄電池容量と決めることを特徴とする。
【０００９】
第５発明の蓄電池容量の決定方法は、前記装置において、
適用する太陽電池モジュールとその枚数を定め、第２発明の方法で月ごとに１日当りの太陽光発電量を計算し、
第１発明の「必要太陽光発電量」と前記１日合計負荷電力量から月ごとに、
「太陽光発電量係数」＝「必要太陽光発電量」÷１日合計負荷電力量、
により算出した「太陽光発電量係数」と「補充電インターバル（他電源により蓄電池を何日ごとに補充電するかの日数）」を使い、
蓄電池容量＞＝（１日合計負荷電力量−太陽光発電量÷「太陽光発電量係数」）＊「補充電インターバル」÷放電深度（通常0.7）
が成り立つように蓄電池容量を月ごとに求め、最も大きい月の蓄電池容量をその装置の蓄電池容量と決めることを特徴とする。
【００１０】
第６発明の太陽電池モジュール・枚数・蓄電池容量の決定方法は、種々の太陽電池モジュールと枚数の場合について、
第５発明を適用して蓄電池容量を算出する方法を繰り返し実施し、該装置の内容に最適な太陽電池モジュール・枚数・蓄電池容量を選定・決定することを特徴とする。
【００１１】
第７発明の太陽電池モジュールの選定・決定方法は、前記装置において、種々の太陽電池について、該蓄電池の定格電圧付近より大きい各種電圧および最適電圧(Ｐmaxの電圧)における太陽電池の年間発電量を前記「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」などにより計算し、
各種電圧と最適電圧における年間発電量の比率を求め、直流電圧と該比率のグラフを作成し、
運転電圧（＝蓄電池電圧＝太陽電池電圧）と該比率から損失の少ない太陽電池を選択することを特徴とする。
【００１２】
ここで、本発明思想の中核となる技術・原理について説明する。
まず、本発明の主要な内容は、小型の負荷と太陽電池・蓄電池を組合せた装置の最適な太陽電池・蓄電池の組合せ容量を決定することにあるので、その決定方法の基本となる考え方を述べる（図１参照）。
太陽電池と蓄電池を組合せた装置においては、負荷の電力を太陽光発電電力のみで賄うかどうか、言い換えれば蓄電池に他電源による定期的な充電が許されるかどうかにより最適な組合せ容量の決定方法は大きく変わってくる。すなわち、負荷を太陽光発電電力のみで賄うケース（「タイプＩ」という）では、太陽電池容量は基本的には負荷電力の大きさ、充放電効率などにより決まり、また蓄電池容量は基本的には負荷電力の何日分を供給できるか、蓄電池充放電深度などにより決まる。一方,他電源による定期的な蓄電池の補充電が許されるケース（「タイプII」という）では、他電源による補充電のインターバルにより蓄電池容量と太陽電池容量が決まることになる。この「タイプII」では、太陽電池の効果は、補充電のインターバルの延長、蓄電池容量の減少、および自然エネルギーの利用によるアピールなどである。なお、本発明が対象としている装置では、負荷容量が小さく、太陽電池容量も小さいため、現実には太陽電池容量を自由に決めそのような太陽電池を組合わせることはできないことが多い。そこで、具体的には太陽電池容量の決定方法は太陽電池モジュールとその枚数を決める方法となる。
「タイプII」の方式については既に、負荷として振り子式腕振り機構を使い、太陽電池モジュール１枚と100Ａｈ程度の蓄電池を組合せた装置を試作して、詳細な測定を実施し、この太陽電池容量・蓄電池容量の決定方法の精度を確認している。
【００１３】
次に、第２発明などで記述している「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」（例えば、非特許文献１）は、図６に示すごとく、各地の平均日射量・外気温などの気象条件、太陽電池モジュール特性値、太陽電池設置条件などから、月ごと時刻別の太陽光発電量を正確に算出するシミュレーションプログラムである。ここで算出した時刻別の発電量を、月ごと１日当りに集計した発電量を本発明の中で使い、必要な太陽電池容量の算出などに使用している。ここで実施したシミュレーション計算の主要条件は、地点：高松、太陽電池：昭和シェル石油ＧＴ１３６など、太陽電池設置：南向き・傾斜角３０°などである。ここで算出した太陽光発電量には、太陽スペクトルと太陽電池波長特性によるミスマッチによる損失、汚れによる損失などの諸損失が含まれていないため、この損失分として５〜１０％程度を考慮して、プログラムによる算出値に0.95〜0.9を乗じた月ごと１日当りの発電量を本発明では使用している。なおここでは、発電量の算出に上記プログラムによる算出値を使用しているが、必ずしもこのプログラムを使用する必要はないが、このプログラムを使用すると精度よく発電量が算出できる。
【００１４】
次に、太陽電池に蓄電池を直結した場合に、蓄電池電圧（蓄電池の充放電状態により変化する）により運転電圧が変化し、太陽電池の出力電圧が影響を受け、太陽電池の発電量に影響を与える。そのため、運転電圧が太陽電池モジュールの年間発電量にどのように影響を与えるかをシミュレーション計算し、太陽電池モジュールの選択・決定方法の検討に生かすこととした。ここでは同一メーカー・同一セルで構成された、２種類の太陽電池モジュールを使い、種々の運転電圧（太陽電池電圧）における年間発電量を計算し、ＭＰＰＴ運転（＝Ｐmax運点＝最大電力追随運転）における年間発電量で除した比率を示した（図５）。その検討結果による発明が第７発明である。ここでも、年間太陽光発電量の計算には「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」を使用し、そのシミュレーション計算の諸条件は前記と同じである。
【００１５】
ここで、それぞれの発明の概要と一般的な説明を記載する。
第1発明では、負荷を夜間時間帯と昼間時間帯の負荷に分け、夜間の負荷に使用する電力は、太陽光発電電力をいったん蓄電池に充電した電力を利用するため蓄電池の充放電効率（0.85）で除した太陽電池による発電量が必要となり、また昼間も負荷にある程度の蓄電池の放電電力を使うことから太陽光を直接使う場合（1.0）と充放電効率（0,85）の中間の値（ここでは（１＋0.85）/2）を使用した。第1発明の中の式でΣを使用しているのは、時間帯により負荷電力が異なることがあるため、時間ごとの負荷電力を積算しているためである。なお充放電効率は、ここでは標準的な0.85を使用したが蓄電池の特性にもより異なることがあるため、それぞれに適した値を使用すればよい。
第２発明では、月ごとの太陽電池の発電量を計算するのに「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」を使用しているが、前記のごとくこのプログラムは図６に示すように、地域・太陽電池・設置状況などによる影響を正確に反映したプログラムであるためである。そして諸損失はそれぞれのケースにより異なるが、ここでは5〜10％を適用しておりこの値もそれぞれに適した値を使えばよい。
第３発明では、前記「タイプＩ」の太陽電池容量の算出方法を示している。前記のように小型の負荷の装置に関してであるため、太陽電池容量は太陽電池の選択と枚数の決定方法となっている。すなわち、「必要太陽光発電量」に最も適合した太陽電池モジュールとその枚数の選択となる。なお、停止が許されない負荷の場合には、太陽光発電量の計算結果が少ない量になるように算出する必要がある（例えば図３の日射量が「月平均日射量―σ」の場合）。なお、連続無日照保証日数をここでは５日としているが、この日数はそれぞれの必要性・状況で異なるものである。また、蓄電池の放電深度は0.7としているが,これも蓄電池の特性や寿命とも関連するため固定した値ではない。
第４発明では、前記「タイプＩ」の蓄電池容量を記載の式により算出するもので、負荷電力量と連続無日照保証日数などで決まるものであり、太陽電池の太陽光発電量とは直接的には関係しない。
第５発明では、適用する太陽電池モジュールと枚数を定め、補充電のインターバルを与えることにより必要な蓄電池の容量が決まるものである。
第６発明では、第５発明で算出された蓄電池容量が大きすぎたり、太陽電池モジュールとのバランスがよくない場合などに再計算することを示している。この発明を繰り返すことにより最適な太陽電池モジュールと枚数および蓄電池容量を決めることができる。
第７発明では、蓄電池と太陽電池組合せる装置で、太陽電池の最適電圧と運転電圧に乖離があるときの損失をできるだけ少なくするよう、太陽電池モジュールを選定する方法を示している。
【００１６】
【非特許文献１】伊賀淳、他５名；「Ｉ-Ｖカーブ作成法を用いた太陽光発電量シミュレーション計算プログラムの開発」、電学論Ｄ,１１５巻６号、（１９９５）
【発明の効果】
【００１７】
第１発明によれば、昼夜・時間別に充放電係数の割合を考慮しており、より正確に「必要太陽光発電量」が算出できる。
第２発明によれば、月ごとの１日合計発電量をより正確に算出できる。
第３発明によれば、上記の第１発明と第２発明を使って必要な太陽電池モジュールの枚数を算出しているため、より正確な太陽電池の必要枚数が算出できる。
第４発明によれば、より正確な蓄電池容量の算出ができる。
第５発明によれば、決められた太陽電池モジュールとその枚数からより正確に必用な蓄電池容量が算出できる。
第６発明によれば、より的確な太陽電池モジュールと枚数を使い、正確な蓄電池容量が計算できる。
第７発明によれば、その装置により適合した太陽電池を選定できるため、運転電圧と太陽電池特性値のミスマッチによる損失が少ない装置とすることができる。
１〜７の発明により、的確な容量の太陽電池モジュールと枚数および、的確な容量の蓄電池を適用することにより、過大な設備になり余分の費用を要したり場所を要することがなく必用な負荷電力を得られるため、効率的・効果的な装置を製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本装置にかかわる最適な太陽電池容量・蓄電池容量を決定する方法を整理して示したものである。前述のとおり負荷電力を太陽電池の発電電力量のみで賄うかどうかにより２つのタイプ（タイプＩ、タイプII）に分類される。他電源による補充電ができないのがタイプＩでフロー図の左側の部分で説明しており、一方他電源による補充電が可能な場合がフロー図の右側の部分で説明している。ここで留意すべき事項は、適用できる太陽電池モジュールは種類が限定されているため、蓄電池のように自由に選択できにくいことである。そのため、太陽電池モジュールの選択にあたっては、まず太陽電池モジュールとその枚数を仮に決めて、太陽電池容量や蓄電池容量が過大にならないかを判断しながら最適な太陽電池モジュールを探し、その枚数も決めていることである。その他の内容については既に説明しているためここでは省略する。
図２は実際の負荷（斜め振り子機構・・・消費電力6.8Ｗの一定電力）と太陽電池・蓄電池が組合された装置において、太陽光発電で１日必要な量（「必要太陽光発電量」）およびその１日の負荷電力量に対する比率（「太陽光発電量係数」）の月ごとの計算結果を示した例である。月によりあまり変化がないことが分かる。また、「太陽光発電量係数」の大きさからは、負荷電力に比べ太陽光発電量はかなり多くの電力が必要なことが分かる。ここでは負荷電力が一定な量の場合であるが、負荷電力が時間的に変化する場合には第１発明中の式のように計算すればよい。なお、平均夜間時間概数は前記「太陽光発電量シミュレーションプログラム」の中の「受光面日射エネルギー算出サブプログラム」で計算したものを使用した。
図３は特定の太陽電池モジュール（昭和シェル石油ＧＴ１３６）の場合の月ごとの発電量を前記「太陽光発電量シミュレーションプログラム」により計算した例である。月平均日射量を使った発電量のうちａは、運転電圧がＭＰＰＴ運転できている場合であり、ｂは前記装置を使った場合の平均的な運転電圧である11.5Ｖにおける発電量である。したがって、ここでは通常はｂの値を適用することになる。また、右端の欄の数値は日射量が少ない日（概ね月間日数のうち５日間はこの日射量よりも少ないことが予想される日射量の日）の日射量のときの発電量を計算し示したものである。太陽電池ですべての日の負荷を賄うためにはいかに大きい太陽電池モジュールが必要になるかがわかる。
図４は同様に、前記装置を使い測定した結果のうち、日射強度が大きく安定している10分間の平均データにもとづきＩ-Ｖカーブ、Ｐ-Ｖカーブを作成し運転電圧と最適電圧における出力を比較した例である。２つの電圧における出力の比率は81.3であり、前記図３の１月の比率（ｂ/ａ＊100）ともよく一致しており、図３の計算の精度・信頼性の確認ができている。
図５は運転電圧に対する年間発電量の比率を示すもので通常の運転電圧の範囲（斜線部分・・・12〜13Ｖ）における年間発電量は太陽電池モジュールにもよるが、85〜90％程度しか得られていないことがわかる。すなわち、運転電圧に対して太陽電池モジュールの特性を考慮して選択することが大切であることが分かる。
図６は「太陽光発電量シミュレーション計算プログラム」のフロー図である。内容の概要は既に述べているので省略する。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
小型負荷と太陽電池・蓄電池を組合せた装置は幅広い用途が考えられる。今後は定期的な充電が必要な装置でその充電インターバルを長くしたり、蓄電池の大きさを小さくする目的のための装置への適用が見込まれる。すなわち、蓄電池を持った携帯用装置であれば太陽電池の性能の向上と共に適用の可能性が期待できる。例えば、電動アシストの自転車、懐中電灯、ノートパソコン、携帯電話などが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】太陽電池容量（太陽電池モジュール・枚数）と蓄電池容量の決定方法の説明図である。
【図２】負荷（ここでは「斜め振り子機構」）に必要な月別の１日当り太陽光発電量などの計算結果である。
【図３】太陽電池モジュール（昭和シェル石油ＧＴ１３６）の月別発電量などである。
【図４】小型負荷と太陽電池・蓄電池を組合せた装置における太陽電池のＩ−Ｖカーブ、Ｐ−Ｖカーブの作成例である。
【図５】太陽電池モジュールの運転電圧と年間発電量のシミュレーション計算結果の例である。
【図６】「太陽光発電量シミュレーションプログラム」のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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